封面新聞?dòng)浾?馬曉玉

馬鈴薯基因組上親本鑲嵌的“馬賽克”式遺傳組合

土豆，又稱馬鈴薯、洋芋，原產(chǎn)于南美洲。當(dāng)它漂洋過海來到中國(guó)之后，這里的人將它開發(fā)到了極致：融入各地菜系，如云南的“洋芋粑粑”、東北“地三鮮”；開發(fā)功能性產(chǎn)品，如富硒土豆米、彩色花青素土豆等。現(xiàn)如今，我國(guó)的科學(xué)家們更是先一步幫土豆找到了“媽媽”。

7月31日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心）黃三文團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中外科研團(tuán)隊(duì)發(fā)表研究成果。他們發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯組起源于900萬年前番茄組和類馬鈴薯組的一次古雜交事件，雜交產(chǎn)生了新器官（薯塊）。在此之前，科學(xué)家們一度認(rèn)為類馬鈴薯是馬鈴薯的直接祖先，是“不結(jié)薯的馬鈴薯”。

土豆這場(chǎng)尋“根”之旅終于有了眉目，那接下來呢？8月5日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所相關(guān)負(fù)責(zé)人告訴封面新聞?dòng)浾撸嗅槍?duì)性的育種改良是關(guān)鍵。番茄可能不僅僅是馬鈴薯的過去，還將成為馬鈴薯的未來。

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懸疑：土豆的“身世之謎”

一般的馴化物種，都能找到一兩種“祖先”。比如小米馴化自狗尾草，家牛出自原牛，但馬鈴薯是個(gè)例外——它的“裙帶關(guān)系”過多了。

在分類學(xué)上，馬鈴薯組（包含栽培馬鈴薯和107個(gè)野生種）和番茄組（包含栽培番茄和16個(gè)野生種）、類馬鈴薯組（包含3個(gè)野生種）屬于姊妹類群。在形態(tài)上，土豆和類馬鈴薯更加相似。然而，分子進(jìn)化學(xué)分析證明，番茄和土豆的親緣關(guān)系更近一些。

土豆、番茄、類馬鈴薯這三者究竟是什么關(guān)系？土豆的“身世”也由此成了科學(xué)史上的一樁“懸案”。

這也不怪科學(xué)家們不給力，土豆的歷史確實(shí)悠久而復(fù)雜。早在公元前2800年的秘魯古墓中就出現(xiàn)了供食用的土豆。到如今，全球共有約5000個(gè)土豆品種，這些品種形態(tài)各異、顏色多樣，有的表皮光滑，有的布滿斑點(diǎn)；有的呈金黃色，有的則是紫色、紅色，讓人目不暇接。

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破案：“爹”是類馬鈴薯，“媽”是番茄

為了幫土豆“認(rèn)祖歸宗”，團(tuán)隊(duì)成員可是下了大功夫。他們系統(tǒng)分析了來自101份馬鈴薯組、15份番茄組、9份類馬鈴薯組，以及19份其他茄科物種的高質(zhì)量基因組數(shù)據(jù)。這相當(dāng)于給土豆所有的疑似親戚都做了一遍“DNA親子鑒定”。

基因組信息揭示馬鈴薯的“身世之謎”

研究發(fā)現(xiàn)，所有土豆個(gè)體都包含來自類馬鈴薯和番茄植株的穩(wěn)定平衡的遺傳貢獻(xiàn)，來自番茄與類馬鈴薯的遺傳貢獻(xiàn)比例約為4 ：6。研究人員由此推測(cè)，馬鈴薯可能是兩者雜交誕生的“混血兒”。

為驗(yàn)證這一猜想，研究人員進(jìn)一步評(píng)估了三者的分化時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)，類馬鈴薯和番茄約在1400萬年前開始分化，在分化約500萬年后，類馬鈴薯和番茄發(fā)生雜交，并于約900萬年前形成了最早帶有薯塊的馬鈴薯植株。

兩個(gè)薯塊功能基因DRN和CLF的突變體表型

自此，土豆的“身世之謎”終于水落石出。馬鈴薯是類馬鈴薯和番茄雜交產(chǎn)生的物種。按照質(zhì)體基因組的親緣關(guān)系，番茄為母本，類馬鈴薯為父本。

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猜想：薯塊如何無中生有？

然而，讓研究人員好奇的是，土豆的爹——類馬鈴薯沒有薯塊，媽——番茄連地下莖都沒有。那么，土豆的地下塊莖是哪里來的呢？

黃三文團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)大膽的猜想：這可能是基因組重組的結(jié)果！番茄和類馬鈴薯這兩個(gè)家族的祖先雜交后，它們的基因重新組合，意外地創(chuàng)造出了“薯塊”這個(gè)獨(dú)特的器官。

馬鈴薯基因組上親本鑲嵌的“馬賽克”式遺傳組合

基于此，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步追溯了馬鈴薯關(guān)鍵薯塊形成基因的起源。研究發(fā)現(xiàn)，新器官薯塊的形成是親本來源的等位基因重新組合和交互調(diào)控的結(jié)果。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今馬鈴薯組內(nèi)部物種仍約有24%的遺傳組分隨機(jī)固定了不同親本的等位基因，呈現(xiàn)出親本鑲嵌的“馬賽克式”模式。即，不同個(gè)體攜帶不同親本的遺傳信息，就像一幅由不同顏色小瓷磚拼成的馬賽克畫一樣，導(dǎo)致表型呈現(xiàn)不均一性。

當(dāng)馬鈴薯受到不同環(huán)境條件脅迫時(shí)，這種“馬賽克式”的遺傳組合像“智能篩子”一樣，從寶庫(kù)中篩選出最佳基因組合，使得馬鈴薯能夠適應(yīng)多種生態(tài)環(huán)境。

與此同時(shí)，薯塊的形成也給馬鈴薯帶來了地下生存優(yōu)勢(shì)。薯塊不僅能夠儲(chǔ)存水分和淀粉，幫助馬鈴薯度過干旱、寒冷季節(jié)，更賦予了馬鈴薯無需種子或授粉即可繁殖的能力，通過薯塊上的芽直接萌發(fā)新植株。

古雜交事件驅(qū)動(dòng)馬鈴薯譜系的薯塊形成與輻射演化

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預(yù)測(cè)：番茄是過去，也是未來

101份馬鈴薯組、15份番茄組、9份類馬鈴薯組，以及19份其他茄科物種的高質(zhì)量基因組數(shù)據(jù)......研究人員如此大費(fèi)周章，難道只是單純地想幫土豆尋親？

要回答這個(gè)問題，首先需要來了解一下土豆的諸多優(yōu)秀品質(zhì)。

一直以來，土豆就有 “糧食界卷王”的稱號(hào)。從營(yíng)養(yǎng)成分上來說，人類需要的碳水、蛋白質(zhì)、維生素、微量元素，它幾乎樣樣齊全。土豆所含維生素是小麥和稻米的7倍，各類微量元素含量是稻米、甘薯的2倍左右。理論上，只要身邊有土豆和牛奶，你就可以在一個(gè)被困的環(huán)境下一直生存下去；

從產(chǎn)量上來說，土豆超過玉米成為了第三大主糧作物，與位居前二的小麥和水稻相比，土豆的產(chǎn)量極高，單位面積產(chǎn)量是它們的好幾倍，全球年產(chǎn)量達(dá) 3.74 億噸，養(yǎng)活了超過 13 億人；

從應(yīng)對(duì)糧食安全挑戰(zhàn)來看，它適應(yīng)性超強(qiáng)，耐寒、耐旱又耐貧瘠，能在各種復(fù)雜的環(huán)境中扎根生長(zhǎng)，無論是高海拔的山區(qū)，還是干旱少雨的荒漠邊緣，都有它頑強(qiáng)的身影；

需要知道的是，土豆并非生來就如此貼合人類的“審美”。5000年前的它并不像現(xiàn)在這樣味美可口，而是帶有濃重的苦澀味，個(gè)頭也不太大。經(jīng)過一代代人上千年的篩選，土豆才終于成為了低毒又相對(duì)高產(chǎn)的作物。到這里，科學(xué)家們前仆后繼幫土豆尋親的理由已經(jīng)顯而易見，即有針對(duì)性地進(jìn)行馬鈴薯育種改良。

很少有人知道，我們?cè)诳觳偷瓿缘氖項(xiàng)l幾乎都來自一百多年前育成的馬鈴薯品種，馬鈴薯育種進(jìn)程之緩慢可見一斑，而問題的關(guān)鍵之一就在于薯塊由來的未知。

論文第一作者、基因組所已畢業(yè)博士生張智洋告訴記者，“幾千年來，育種家們已經(jīng)選育出又大又好吃的薯塊，但是薯塊器官怎么獲得的一直是個(gè)未解之謎。這限制了我們對(duì)其進(jìn)一步去改良。大量圍繞著薯塊發(fā)育的研究一直在開展，但是進(jìn)度較為緩慢。所以我們站在進(jìn)化的角度，重新去追溯這個(gè)謎題，發(fā)現(xiàn)了是雜交事件導(dǎo)致了薯塊新器官的形成，也發(fā)現(xiàn)了很多重要的薯塊基因，這些為我們后續(xù)改良馬鈴薯育種提供了全新的思路。”

記者在知網(wǎng)上搜索“馬鈴薯”，相關(guān)主題達(dá)3.25萬個(gè)，與“馬鈴薯品種”有關(guān)的主題超過2700個(gè)，馬鈴薯育種的重要性可見一斑。國(guó)際馬鈴薯中心的研究數(shù)據(jù)也顯示，通過科學(xué)育種和種植技術(shù)的應(yīng)用，馬鈴薯的產(chǎn)量還有很大的提升空間。

正如論文通訊作者黃三文在采訪中所言：番茄可能不僅僅是馬鈴薯過去的一部分，還將成為馬鈴薯未來的一部分。可以預(yù)見的是，當(dāng)馬鈴薯的基因組密碼被逐步破譯，它將繼續(xù)滋養(yǎng)人類的下一個(gè)千年。

（圖片源自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所官方公眾號(hào)）